三相功率因数校正及其数字控制系统的研究

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1、三相功率因数校正及其数字控制系统的研究第一章绪论1.1电力电子设备的谐波问题随着现代电力系统、用电设备的日益不断发展，用电电压的等级逐步提升，用电设备及相关配电网络的功率以及容量大小不断得到突破。网络的智能化、优质化水平得以不断提升。大电网互联优势明显，但对用电设备的性能要求则日益苛刻。一方面，这种发展极大的带动了电力电子技术的蓬勃进步，大大提升了人们的日常用电体验；另一方面，在其众多益处得到体现的同时，电力系统的电能质量问题，即电能产、输、配、送等各环节的性能指标不断提高，不断提升的用电等级带来的谐波问题、

2、电力系统污染问题、输配电运行稳定问题、用电安全问题、大功率电力电子器件的试验与批量生产问题等不断显现[1-3]。如何在满足人们对不断增加的用电需求、用电质量的同时，积极的采取措施，拟补电力系统及设备发展带来的弊端，成为电力系统及相关设备制造领域的热点。电力网络中，谐波的不但涉及电力系统的电源端及网络，即发电机、变压器等包含非线性励磁绕组的电磁装置，还涉及用电端，即种类日益丰富的电热炉、整流设备、变频装置、甚至于多种能源互补发电的复杂网络运行控制等。电力网络中谐波的危害是显著的、迅速的，例如，当出现谐波后，系统

3、中的网络损耗会增加，系统中各种种类繁多的继电保护装置容易出现误动作，供电网络周边的通信设施会受到干扰等，作为用电用户来说，谐波的出现也会对用电设备本身的正常稳定运行构成威胁。此外，当系统中某些设备受谐波影响而损坏后，容易造成电力系统故障和损失的进一步蔓延，即二次污染现象。因此，从提升整个电网的运行可靠性、稳定性，以及从提高电能用户的用电体验两个角度，都应当高度注视谐波的研究和治理。............1.2三相有源高功率因数装置（PFC变换器）的进展和三相功率因数校正技术的发展不同，单相功率因数校正装置广

4、泛应用在功率等级、电压等级相对较低的场合，为不同用电设备提供改善输入侧电能质量的作用。有源功率因数校正技术与无源整流技术相比，凭借其相对很高的工作频率、自由灵活的开关组合状态，能够很好的提升电力设备的网侧功率因数，同时也实现了设备体积、制造成本以及系统工作运行效率的极大改善。现有的单相有源功率因数校正电路中，其拓扑结构往往涉及升压电路、降低电压以及升降压，甚至反激式等众多类型。通过对有源功率开关的实时控制，使得电路的输入电流跟随电压的变化而变化，从而实现减小电压、电流相位角度差以及输入正弦波形的目的。在众多单

5、相有源功率因数校正电路中，又以升压型功率因数校正电路为代表，该种类型的电路凭借其入侧较小的电流波形质量、相对简单的功率开关驱动设计等优势，受到了电气设计者的广泛认可。与此对应的，采用反激式结构的单相有源功率因数校正电路则在电路简单程度方面表现不佳，电路设计相对繁琐，但因其良好的输入输出隔离特性和较大的电压输出调节范围，仍常见于功率较小的场合，专用的功率因数校正芯片也较多。........第二章高功率因数AC/DC的基本结构与原理2.1高功率因数整流器的拓扑分析本文选取一种典型的高功率因数整流器：维也纳整流器作

6、为研究对象。其硬件电路结构包括维也纳I型，即基本的不带隔离的功率变换器结构，以及维也纳II型，带隔离的功率变换器结构。对于对电源隔离性能、安全性能等要求相对较高的场合，维也纳II型的隔离变压器往往具有一定的优势，而维也纳I型凭借其简单的硬件结构和较少的开关控制变量，在成本、控制复杂程度等方面优势明显。由于电容器中点与各相桥臂直接连接，就形成了一个电压中点，当通过对功率开关的控制，使得电路对上下两组电容器的充电均衡，保持其端电压大小一致时，即形成了三个电平的外部特性。现有的维也纳三电平整流装置的单相桥臂有下图2

7、-3所示两种。其中，左侧桥臂全部采用不控二极管组成，右侧桥臂采用5个不控二极管和1个可控硅，设备工作时，通过对可控硅导通角度的大小控制，实现直流侧电压的逐步升高，即软启动的功能。..........2.2单相及三相的等效建模及分析三相功率因数校正变换器的整个系统从整体来看，相当于下图2-6所示单相等效桥臂的组合，包括对应至各相的滤波电感、电源、功率开关以及直流侧电容。图中，0点为输出直流侧电压容性中点。N为电源侧中性点[10]。作如下定义：本部分结合维也纳AC/DC特有的三电平结构及其特性，构建了基本的单相以

8、及三相数学模型。对维也纳AC/DC结构的三电平特性的形成原理进行了简单的描述。结合数学模型的推导，对此类电路拓扑结构各点的特性，如输出直流侧容性电压中点的波形，直流侧输出电压的波形的分析垫定了基础，为具体数字控制的实现提供参考。..........第三章高功率因数AC/DC的控制方法.........143.1高功率因数AC/DC的一般性控制....143.2高功率因数AC/DC的空间矢量控制...